Buněčné stroje

V roce 2016 byla udělena Nobelova cena za chemii za působivý počin – syntézu molekul, které fungují jako mechanická zařízení. Nelze však říci, že myšlenka na vytvoření miniaturních strojů je originální lidský nápad. A tentokrát byla na prvním místě příroda.

Oceněné molekulární stroje (více o nich v článku z lednového vydání MT) jsou prvním krokem k nové technologii, která nám může brzy převrátit životy naruby. Ale těla všech živých organismů jsou plná nano mechanismů, které udržují buňky v efektivním fungování.

Ve středu…

... buňky obsahují jádro, a v něm je uložena genetická informace (bakterie nemají samostatné jádro). Samotná molekula DNA je úžasná – skládá se z více než 6 miliard prvků (nukleotidy: dusíkatá báze + cukr deoxyribóza + zbytek kyseliny fosforečné), tvořících vlákna o celkové délce asi 2 metry. A my v tomto ohledu nejsme přeborníci, protože existují organismy, jejichž DNA se skládá ze stovek miliard nukleotidů. Aby se taková obří molekula vešla do jádra, neviditelného pouhým okem, jsou vlákna DNA stočena dohromady do šroubovice (dvojšroubovice) a obalena kolem speciálních proteinů zvaných histony. Buňka má speciální sadu strojů pro práci s touto databází.

Musíte neustále využívat informace obsažené v DNA: číst sekvence kódující proteiny, které aktuálně potřebujete (transkripce), a čas od času zkopírovat celou databázi k rozdělení buňky (replikace). Každý z těchto kroků zahrnuje rozpletení šroubovice nukleotidů. K této činnosti se využívá enzym helikáza, který se pohybuje ve spirále a - jako klín - ji rozděluje na samostatná vlákna (to vše připomíná blesk). Enzym funguje díky energii uvolněné v důsledku rozpadu univerzálního energetického nosiče buňky - ATP (adenosintrifosfát).

Model molekuly ATP. Připojení a odpojení fosfátových zbytků (vlevo) zajišťuje výměnu energie v buněčných chemických reakcích.

Nyní můžete začít kopírovat fragmenty řetězce, což dělá RNA polymeráza, rovněž poháněná energií obsaženou v ATP. Enzym se pohybuje po řetězci DNA a vytváří oblast RNA (obsahující cukr, ribózu místo deoxyribózy), což je templát, na kterém jsou syntetizovány proteiny. Díky tomu je DNA zachována (vyhne se neustálému rozplétání a čtení fragmentů) a navíc se mohou vytvářet proteiny v celé buňce, nejen v jádře.

Téměř bezchybnou kopii poskytuje DNA polymeráza, která působí podobně jako RNA polymeráza. Enzym se pohybuje podél vlákna a vytváří svůj protějšek. Když se další molekula tohoto enzymu pohybuje podél druhého vlákna, výsledkem jsou dvě kompletní vlákna DNA. Enzym potřebuje pár „pomocníků“, aby mohl začít kopírovat, svazovat úlomky dohromady a odstraňovat zbytečné strie. DNA polymeráza má však „výrobní vadu“. Může se pohybovat pouze jedním směrem. Replikace vyžaduje vytvoření tzv. startéru, od kterého začíná samotné kopírování. Po dokončení jsou primery odstraněny, a protože polymeráza nemá žádnou zálohu, zkracuje se s každou kopií DNA. Na koncích vlákna jsou ochranné fragmenty zvané telomery, které nekódují žádné proteiny. Po jejich konzumaci (u člověka asi po 50 opakováních) se chromozomy slepí a čtou se s chybami, což způsobí buněčnou smrt nebo její přeměnu na rakovinovou. Čas našeho života je tedy měřen telomerickými hodinami.

Kopírování DNA vyžaduje mnoho enzymů, aby spolupracovaly.

Molekula velikosti DNA podléhá trvalému poškození. Další skupina enzymů, fungujících rovněž jako specializované stroje, se zabývá odstraňováním problémů. Vysvětlení jejich role bylo oceněno cenou za chemii 2015 (více informací viz článek z ledna 2016).

Uvnitř…

… buňky mají cytoplazmu – suspenzi složek, které je plní různými životními funkcemi. Celá cytoplazma je pokryta sítí proteinových struktur, které tvoří cytoskelet. Stahující se mikrovlákna umožňují buňce změnit svůj tvar, což jí umožňuje plazit se a pohybovat vnitřními organelami. Součástí cytoskeletu jsou také mikrotubuly, tzn. trubky vyrobené z bílkovin. Jedná se o poměrně tuhé prvky (dutá trubice je vždy tužší než jedna tyč stejného průměru), které tvoří buňku, a pohybují se po nich některé z nejneobvyklejších molekulárních strojů – chodící proteiny (doslova!).

Mikrotubuly mají elektricky nabité konce. Proteiny zvané dyneiny se pohybují směrem k negativnímu fragmentu, zatímco kinesiny se pohybují opačným směrem. Díky energii uvolněné při rozkladu ATP se tvar chodících proteinů (známých také jako motorické nebo transportní proteiny) v cyklech mění, což jim umožňuje pohybovat se jako kachna po povrchu mikrotubulů. Molekuly jsou vybaveny proteinovým „vláknem“, na jehož konec se může nalepit další velká molekula nebo bublina naplněná odpadními látkami. To vše připomíná robota, který kymácením tahá balónek za provázek. Rolující se proteiny transportují potřebné látky na správná místa v buňce a pohybují jejími vnitřními součástmi.

Téměř všechny reakce probíhající v buňce jsou řízeny enzymy, bez kterých by tyto změny téměř nikdy nenastaly. Enzymy jsou katalyzátory, které fungují jako specializované stroje, které dělají jednu věc (velmi často urychlují pouze jednu konkrétní reakci). Zachycují substráty přeměny, vhodně je k sobě uspořádají a po skončení procesu uvolní produkty a začnou znovu pracovat. Asociace s průmyslovým robotem provádějícím nekonečně se opakující akce je naprosto pravdivá.

Molekuly intracelulárního nosiče energie vznikají jako vedlejší produkt řady chemických reakcí. Hlavním zdrojem ATP je však práce nejsložitějšího mechanismu buňky – ATP syntázy. Největší počet molekul tohoto enzymu se nachází v mitochondriích, které fungují jako buněčné „elektrárny“.

ATP syntáza - vršek: pevná část

v membráně, hnací hřídel, odpovědný fragment

pro syntézu ATP

V procesu biologické oxidace jsou vodíkové ionty transportovány z vnitřku jednotlivých úseků mitochondrií ven, čímž vzniká jejich gradient (rozdíl koncentrací) na obou stranách mitochondriální membrány. Tato situace je nestabilní a existuje přirozená tendence k vyrovnání koncentrací, čehož využívá ATP syntáza. Enzym se skládá z několika pohyblivých a pevných částí. V membráně je fixován fragment s kanálky, kterými mohou vodíkové ionty z okolí pronikat do mitochondrií. Strukturální změny způsobené jejich pohybem roztáčí další část enzymu – podlouhlý prvek, který funguje jako hnací hřídel. Na druhém konci tyče, uvnitř mitochondrie, je k ní připojen další kus systému. Rotace hřídele způsobí rotaci vnitřního fragmentu, ke kterému jsou v některých jeho polohách připojeny substráty reakce tvořící ATP a následně v jiných polohách rotoru hotová vysokoenergetická sloučenina . propuštěn.

A tentokrát není těžké najít obdobu ve světě lidské techniky. Prostě generátor elektřiny. Tok vodíkových iontů způsobuje, že se prvky pohybují uvnitř molekulárního motoru znehybněného v membráně, jako lopatky turbíny poháněné proudem vodní páry. Hřídel přenáší pohon do skutečného systému generování ATP. Jako většina enzymů může i syntáza působit opačným směrem a rozkládat ATP. Tento proces uvádí do pohybu vnitřní motor, který pohání pohyblivé části fragmentu membrány přes hřídel. To zase vede k odčerpávání vodíkových iontů z mitochondrií. Čerpadlo je tedy poháněno elektricky. Molekulární zázrak přírody.

Na hranici…

... Mezi buňkou a prostředím je buněčná membrána, která odděluje vnitřní řád od chaosu vnějšího světa. Skládá se z dvojité vrstvy molekul, přičemž hydrofilní ("vodu milující") části jsou směrem ven a hydrofobní ("vodu se vyhýbají") části směrem k sobě. Membrána také obsahuje mnoho proteinových molekul. Tělo musí přijít do kontaktu s prostředím: absorbovat látky, které potřebuje, a uvolňovat odpad. Některé chemické sloučeniny s malými molekulami (například voda) mohou procházet membránou v obou směrech podle koncentračního gradientu. Difúze ostatních je obtížná a buňka sama reguluje jejich absorpci. Dále se pro přenos používají celulární stroje - dopravníky a iontové kanály.

Dopravník naváže iont nebo molekulu a poté se s nimi přesune na druhou stranu membrány (když je samotná membrána malá) nebo - když projde celou membránou - přesune shromážděnou částici a uvolní ji na druhém konci. Dopravníky samozřejmě fungují obousměrně a jsou velmi „vychytralé“ – často přepravují pouze jeden druh látky. Iontové kanály vykazují podobný pracovní účinek, ale odlišný mechanismus. Lze je přirovnat k filtru. Transport iontovými kanály obecně sleduje koncentrační gradient (od vyšších k nižším koncentracím iontů, dokud se nevyrovnají). Na druhé straně intracelulární mechanismy regulují otevírání a zavírání průchodů. Iontové kanály také vykazují vysokou selektivitu pro průchod částic.

Iontový kanál (vlevo) a potrubí v provozu

Bakteriální bičík je skutečným hnacím mechanismem

V buněčné membráně je ještě jeden zajímavý molekulární stroj – bičíkový pohon, který zajišťuje aktivní pohyb bakterií. Jedná se o proteinový motor sestávající ze dvou částí: pevné části (stator) a rotující části (rotor). Pohyb je způsoben tokem vodíkových iontů z membrány do buňky. Vstupují do kanálu ve statoru a dále do distální části, která je umístěna v rotoru. Aby se vodíkové ionty dostaly dovnitř buňky, musí si najít cestu do další části kanálu, která je opět ve statoru. Rotor se však musí otáčet, aby se kanály sbíhaly. Konec rotoru, vyčnívající za klec, je zakřivený, je k němu připevněn pružný bičík rotující jako vrtule vrtulníku.

Domnívám se, že tento nutně stručný přehled buněčného mechanismu objasní, že vítězné návrhy nositelů Nobelovy ceny, aniž by to ubíralo na jejich úspěších, mají stále daleko k dokonalosti výtvorů evoluce.